Neudefinition einer Naturkonstante Die Massenormale der PTB für das neue Kilogramm sind einsatzbereit

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Nach Jahren der Arbeit hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) das notwendige Wissen, um die Einheit Kilogramm über eine Naturkonstante zu definieren.

Nach fast 130 Jahren wird das internationale Ur-Kilogramm im Herbst 2018 voraussichtlich in den wohlverdienten Ruhestand geschickt. Dann kommt die Welt zu einem metrologischen Gipfeltreffen zusammen, um über die Neudefinition des Kilogramms zu entscheiden. Wie der Meter und die Sekunde soll künftig auch das Kilogramm über unveränderliche Naturkonstanten definiert werden.

Dazu zählen Wissenschaftler in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) fleißig Atome in einer ²⁸Silizium-(Si-)Kugel. Je genauer sie das tun, desto genauer können sie letztlich sagen, was ein Silizium-Atom wiegt. Damit ist der Sprung auf die Ebene der Naturkonstanten gelungen. Die Forscher können die Avogadro-Konstante und die Planck-Konstante bestimmen und haben somit das Rezept für ein neues, stabileres Massenormal zur Hand.

Über den aktuellen Stand des Avogadro-Projektes informierte die PTB die internationale Fachwelt sowie über die Handhabung und die Vorteile von Si-Kugeln im Allgemeinen. „Round and Ready“ heißt der Workshop der PTB – und das nicht ohne Grund. „Unsere ²⁸Si-Kugel ist fertig und alle geforderten Kriterien für die Neudefinition des Kilogramms sind erfüllt“, sagt Frank Härtig, Leiter der Abteilung für Mechanik und Akustik in der PTB.

„Wir können jetzt damit beginnen, ähnliche Kugeln aus Silizium als Massenormale in der Welt zu verbreiten.“ Bei dem Workshop konnten sich die 82 Teilnehmer aus 44 Ländern mit den Kugeln vertraut machen – wie sie zu handhaben sind und wie sie als Massenormale fungieren können.

Si-Kugel braucht Fingerspitzengefühl

Bei den praktischen Übungen des Workshops ging es um die Reinigung, Lagerung, den Transport sowie das Handling der Kugeln. Angefangen beim richtigen Reinigungsmittel, welche die Oberfläche nicht angreift. Gleiches gilt für Reinigungstücher. Selbst die Behälter für die Reinigungslösung müssen aus einem bestimmten Material sein, damit sich keine Fremdstoffe über die Lösung auf der Kugel ablagern oder die Kugeloberfläche beschädigen. Und auch beim Wiegen darf die Auflage keinen Einfluss auf die Kugel haben.

Wer eine Si-Kugel nutzt, braucht Fingerspitzengefühl. Nur bitte nicht im wahrsten Sinne des Wortes. Ein Fingerabdruck ist nämlich schon deutlich größer als die Genauigkeit, mit der die Masse bestimmt wird. Glücklicherweise hat die PTB das Handling der Kugel über Jahre erprobt und perfektioniert. Ihr Wissen kann sie jetzt an die internationalen Partner weitergeben.

Einige Teilnehmer haben beim Workshop bereits Interesse an einer Si-Kugel als Massenormal geäußert. Wilson Ombati, Metrologe am Kenya Bureau of Standards, war von der einfachen Handhabung der Kugeln begeistert. Da er in Kenia an einem ähnlichen Projekt arbeitet, möchte er gerne eine Kugel erwerben, allerdings vorerst die günstigste Version – um den Umgang zu üben.

Wattwaage und Si-Kugel

Lob gab es auch von der „Konkurrenz“, die versucht, die Planck-Konstante mit einer Wattwaage zu bestimmen. Stephan Schlamminger, Leiter des Wattwaagen-Projekts am National Institute of Standards and Technology in den USA, würde sich freuen, eine Si-Kugel mit der Wattwaage zu wiegen. Bei so komplexen Experimenten wie der Wattwaage oder dem Avogadro-Projekt könne man leicht Fehler übersehen, sagt Schlamminger. „So können wir einen Konsistenz-Check für beide Experimente machen.“ Als Konkurrent sieht er sich dabei nicht. „Wir haben alle das gleiche Ziel; nur der Weg ist unterschiedlich.“ Ohnehin wird das Kilogramm nur neu definiert, wenn zwei unterschiedliche Experimente die Planck-Konstante mit ausreichender Genauigkeit bestimmen.

Sind die internationalen Partner im Messwesen von beiden Ansätzen überzeugt, steht der Neudefinition des Kilogramms und der Verbreitung der Si-Kugeln der PTB als Massenormal nichts mehr im Wege. Damit ginge die Ära des Ur-Kilogramm zu Ende. Dieses wird seit der Meterkonvention von 1889 von einem Platin-Iridium-Zylinder verkörpert, der vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in einem Tresor in Sèvres bei Paris aufbewahrt wird.

Kopien davon wurden als nationale Kilogramm-Prototypen an die Unterzeichnerstaaten dieses Vertrages verteilt. Doch wie sich über die Jahre zeigte, verliert das Ur-Kilogramm an Masse. Warum das so ist, weiß keiner so genau. „Dieser unbefriedigende Zustand soll durch die Neudefinition beendet werden“, erklärt Härtig. „Hat man die sogenannte Planck-Konstante in Stein gemeißelt, kann jeder das Kilogramm berechnen und bestenfalls nachbauen.“ Auf dem langen Weg zur Planck-Konstante hat die PTB einen Umweg eingeschlagen – über die Avogadro-Konstante, welche die Anzahl der Atome in einem Mol angibt.

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